Các loại tay gắp gripper trong công nghiệp Gripper là một thiết bị cơ khí được sử dụng để cầm nắm và điều khiển các vật thể trong các hệ thống tự động, đặc biệt là trong robot công nghi
TÌM HIỂU TỔNG QUAN
Tổng quan về hệ thống Pick and Place
Hệ thống gắp thả sản phẩm (Pick and Place) là giải pháp hiệu quả cho việc di chuyển các vật thể từ vị trí này sang vị trí khác mà không cần nhiều tư duy Việc con người thực hiện các nhiệm vụ này không chỉ tốn thời gian mà còn lãng phí nguồn lực Các hệ thống này thường được trang bị cảm biến và hệ thống thị giác, cho phép gắp vật thể từ băng chuyền đang di chuyển Hiện nay, hệ thống gắp thả sản phẩm được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
• Ứng dụng lắp ráp các thiết bị, đóng gói sản phẩm
• Ứng dụng trong phân loại sản phẩm, kiểm soát và quản lý chất lượng sản phẩm
Hệ thống pick and place mang lại hiệu quả và năng suất cao trong quy trình sản xuất bằng cách thực hiện nhiệm vụ lắp ráp nhanh chóng và chính xác hơn lao động thủ công Điều này không chỉ tăng cường năng suất sản xuất mà còn giúp giảm chi phí lao động và các vấn đề liên quan.
Hệ thống gắp thả vật trong công nghiệp đóng vai trò quan trọng trong quản lý nhân sự bằng cách tự động hóa quy trình lắp ráp, thay thế công việc thủ công Với độ chính xác cao trong việc sắp xếp linh kiện, hệ thống này đảm bảo chất lượng sản phẩm, giảm thiểu lỗi và nâng cao chất lượng cuối cùng Khả năng xử lý linh kiện nhỏ và phức tạp, cùng với tính linh hoạt trong việc chuyển đổi giữa các sản phẩm khác nhau, giúp tối ưu hóa không gian làm việc và giảm nguy cơ tai nạn cho công nhân Ngoài ra, nhiều hệ thống hiện đại còn tích hợp khả năng thu thập và phân tích dữ liệu, góp phần cải thiện quy trình sản xuất.
Việc đầu tư vào hệ thống pick and place có nhiều nhược điểm, bao gồm chi phí ban đầu cao cho thiết bị, phần mềm và đào tạo, gây khó khăn cho các doanh nghiệp nhỏ Hệ thống cần bảo trì định kỳ và có thể gặp sự cố kỹ thuật, dẫn đến thời gian và chi phí phát sinh Mặc dù một số hệ thống linh hoạt, nhưng không phải tất cả đều dễ dàng điều chỉnh cho các loại linh kiện khác nhau, có thể yêu cầu nâng cấp Vận hành và bảo trì cũng cần kỹ năng đặc biệt, làm tăng thêm chi phí Sự phụ thuộc vào phần mềm có thể ảnh hưởng đến hiệu suất nếu phần mềm gặp sự cố hoặc cần cập nhật Cuối cùng, hệ thống có thể gặp khó khăn với sản phẩm không đồng đều và yêu cầu không gian lắp đặt lớn, không phù hợp với các khu vực sản xuất hạn chế.
Một số cơ cấu Pick and Place phổ biến trong công nghiệp
1.2.1 Arm robot (Cánh tay robot)
Cơ cấu Pick and Place của cánh tay robot là hệ thống tự động giúp lấy và đặt các vật thể từ vị trí này sang vị trí khác Hệ thống này bao gồm một cánh tay robot với nhiều trục và khớp, được trang bị tay kẹp hoặc công cụ để nắm bắt và di chuyển vật thể Ứng dụng của nó rất đa dạng, chủ yếu trong sản xuất, lắp ráp và đóng gói.
Hình 1 2: Cánh tay robot vận chuyển hàng
Cơ cấu Pick and Place của cánh tay robot mang lại nhiều ưu điểm vượt trội, bao gồm khả năng hoạt động với tốc độ và hiệu suất cao, giúp tăng năng suất và đảm bảo tiến trình công việc nhanh chóng Hệ thống này có độ chính xác cao nhờ vào các cảm biến và hệ thống điều khiển tiên tiến, giảm thiểu sai sót trong việc lấy và đặt các vật thể Thêm vào đó, cánh tay robot có tính linh hoạt, dễ dàng điều chỉnh để xử lý nhiều loại vật thể khác nhau và thích nghi với các yêu cầu của dây chuyền sản xuất.
Hệ thống cánh tay robot mặc dù mang lại nhiều lợi ích nhưng cũng tồn tại một số nhược điểm Chi phí đầu tư ban đầu và bảo trì cao có thể là rào cản cho nhiều doanh nghiệp Bên cạnh đó, khả năng thích ứng của robot trong việc xử lý sản phẩm hoặc nhiệm vụ mới thường bị hạn chế, đòi hỏi phải lập trình và thiết kế lại Hơn nữa, cánh tay robot cần một không gian làm việc đủ rộng để hoạt động hiệu quả.
Robot gantry, hay còn gọi là robot cầu trục, là một loại robot có cấu trúc với các thanh ngang trên khung cố định, cho phép di chuyển linh hoạt theo ba trục: X, Y và Z.
Nó thường được sử dụng để di chuyển và thao tác các vật thể lớn trong không gian rộng, chủ yếu trong các ứng dụng như lắp ráp, vận chuyển và xếp dỡ.
Gantry robot có khả năng xử lý vật thể lớn với độ chính xác cao nhờ di chuyển ổn định trên các trục cố định, cho phép bao phủ diện tích rộng mà không cần mở rộng không gian làm việc Hệ thống này lý tưởng cho các ứng dụng lớn như xử lý tấm kim loại và xếp dỡ hàng hóa Ngoài ra, gantry robot dễ dàng tùy chỉnh và lập trình cho nhiều nhiệm vụ khác nhau, đồng thời giảm thiểu chuyển động không cần thiết nhờ cánh tay robot di chuyển dọc theo thanh ngang, từ đó tăng hiệu suất và độ chính xác.
Mặc dù gantry robot mang lại nhiều lợi ích, nhưng chúng cũng gặp phải một số nhược điểm đáng kể như chi phí lắp đặt và bảo trì cao do yêu cầu về cấu trúc khung cố định lớn Hệ thống này thiếu tính linh hoạt trong không gian nhỏ và cần nhiều không gian làm việc Thêm vào đó, khi cần điều chỉnh nhiệm vụ hoặc thay đổi môi trường làm việc, quá trình tái cấu trúc có thể trở nên phức tạp và tốn kém.
SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) là robot có cấu trúc với hai cánh tay quay theo chiều ngang và một trục thẳng đứng, mang lại khả năng linh hoạt trong chuyển động 2D Loại robot này thường được áp dụng trong các lĩnh vực yêu cầu tốc độ cao và độ chính xác như lắp ráp, gắn chip và đóng gói sản phẩm.
Robot SCARA nổi bật với tốc độ và độ chính xác cao, đặc biệt trong lắp ráp linh kiện điện tử Cấu trúc đơn giản giúp robot di chuyển linh hoạt trên mặt phẳng ngang, thực hiện các thao tác pick-and-place hiệu quả Với thiết kế gọn nhẹ, SCARA dễ dàng tích hợp vào hệ thống sản xuất mà không chiếm nhiều không gian, đồng thời có chi phí đầu tư hợp lý so với các loại robot công nghiệp khác.
Mặc dù SCARA có tốc độ cao và hiệu suất tốt trong các ứng dụng tải trọng nhẹ, nhưng nó vẫn gặp phải một số hạn chế như khả năng di chuyển chỉ trong phạm vi 2D và không phù hợp cho các tác vụ phức tạp trong không gian 3D Điều này làm cho SCARA khó cạnh tranh trong các ngành công nghiệp yêu cầu robot có sức mạnh và độ linh hoạt cao.
Robot Delta là một loại robot có cấu trúc đặc biệt với ba cánh tay gắn trên ba cột thẳng đứng, kết nối tại một điểm trung tâm để điều khiển bộ kẹp hoặc công cụ Với khả năng di chuyển nhanh chóng và chính xác trong không gian 3D, robot Delta thường được ứng dụng trong các lĩnh vực yêu cầu xử lý tốc độ cao và độ chính xác cao như đóng gói và lắp ráp.
Robot Delta nổi bật với khả năng di chuyển nhanh chóng và chính xác, nhờ vào thiết kế độc đáo và sự cân bằng giữa các cánh tay Điều này khiến nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu thao tác nhanh và chính xác, như xếp dỡ vật thể nhẹ hoặc đóng gói sản phẩm Hơn nữa, robot này hoạt động hiệu quả trong không gian hạn chế, vì các cánh tay của nó di chuyển trên các trục thẳng đứng mà không chiếm nhiều diện tích.
Mặc dù delta robot có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn tồn tại một số nhược điểm như khả năng xử lý tải trọng hạn chế, thường chỉ phù hợp với các vật thể nhẹ Thiết kế phức tạp của delta robot có thể dẫn đến chi phí đầu tư và bảo trì cao Hơn nữa, nó không thích hợp cho các nhiệm vụ cần tính linh hoạt cao trong không gian 3D hoặc các ứng dụng yêu cầu thao tác với các vật thể lớn hoặc không đồng đều.
Các loại tay gắp (gripper) trong công nghiệp
Gripper là thiết bị cơ khí quan trọng trong các hệ thống tự động, đặc biệt là robot công nghiệp, giúp cầm nắm và điều khiển vật thể Thiết bị này thường có ngón hoặc bề mặt tiếp xúc, cho phép thực hiện các thao tác như kẹp, nâng, xoay và di chuyển đối tượng một cách hiệu quả.
1.3.1 Gripper hút chân không (Vaccuum gripper)
Gripper hút chân không là cơ cấu cơ khí sử dụng lực hút chân không để nắm và di chuyển vật thể trong hệ thống tự động hóa Cơ chế này dựa trên việc tạo ra áp suất âm tại vị trí tiếp xúc với vật thể, giúp tạo ra lực hút mạnh mẽ giữ chặt vật thể.
Gripper hút chân không mang lại nhiều lợi ích trong việc xử lý vật liệu phẳng và mịn, đảm bảo an toàn cho các vật dễ vỡ Nó dễ dàng được điều khiển và tích hợp vào hệ thống tự động hóa Tuy nhiên, nhược điểm của loại gripper này là chỉ hoạt động hiệu quả trên bề mặt phẳng, có giới hạn về trọng lượng vật thể và tiêu tốn nhiều năng lượng do cần sử dụng bơm chân không.
• Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Gripper hút chân không thường bao gồm các thành phần chính như sau:
Cốc hút, hay còn gọi là Suction Cup, là bộ phận tiếp xúc trực tiếp với bề mặt vật thể, thường được làm từ cao su hoặc silicone để đảm bảo độ bám dính và kín khí Hình dạng và kích thước của cốc hút được thiết kế phù hợp với đặc tính của vật thể cần xử lý.
Bơm chân không là thiết bị chuyên dụng để tạo ra môi trường chân không bằng cách loại bỏ không khí từ cốc hút Thiết bị này có thể hoạt động dựa trên hai nguyên lý chính: bơm cơ khí và bơm Venturi, trong đó bơm Venturi sử dụng dòng khí nén để tạo ra chân không hiệu quả.
Hệ thống van và cảm biến đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh và kiểm soát quá trình tạo và ngắt chân không, với các cảm biến áp suất được sử dụng để đảm bảo lực hút đủ mạnh nhằm giữ vật thể ổn định.
Gripper hút chân không là thiết bị quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp nhờ tính linh hoạt và khả năng xử lý vật liệu mỏng, nhẹ Chúng được sử dụng để di chuyển các vật liệu dễ vỡ như tấm kính, tấm kim loại và nhựa trong quy trình sản xuất, đảm bảo an toàn và hiệu quả Trong bốc dỡ hàng hóa, gripper hút chân không giúp nâng và di chuyển sản phẩm nhanh chóng và chính xác trong các dây chuyền sản xuất tự động hóa Ngoài ra, trong ngành đóng gói và lắp ráp, thiết bị này hỗ trợ cầm nắm và di chuyển các vật phẩm có bề mặt phẳng như hộp giấy và bảng mạch điện tử, nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong quy trình đóng gói.
1.3.2 Gripper khí nén (Pneumatic gripper)
Gripper khí nén là cơ cấu cơ khí sử dụng khí nén để điều khiển ngón kẹp, giúp cầm nắm và di chuyển vật thể trong hệ thống tự động hóa công nghiệp Loại gripper này rất phổ biến trong robot công nghiệp và dây chuyền sản xuất Hoạt động dựa trên việc điều chỉnh áp suất không khí, gripper cho phép mở hoặc đóng ngón kẹp, mang lại lực cầm nắm mạnh mẽ và độ chính xác cao.
Gripper khí nén nổi bật với tốc độ kẹp nhanh, lực kẹp mạnh và khả năng điều chỉnh áp suất linh hoạt cho nhiều loại vật thể khác nhau Thiết kế đơn giản và chi phí thấp cũng là những ưu điểm đáng kể, giúp dễ dàng bảo trì Tuy nhiên, nhược điểm của gripper khí nén là cần một hệ thống cung cấp khí nén ổn định, tiêu tốn năng lượng, và có thể gặp khó khăn khi làm việc với các vật thể nhạy cảm hoặc dễ vỡ.
• Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Gripper khí nén thường bao gồm các thành phần chính như sau:
Ngón kẹp (Finger/Grip): Phần trực tiếp tiếp xúc với vật thể, thường được thiết kế từ kim loại hoặc vật liệu chịu lực để đảm bảo độ bền
Xi lanh khí nén là thành phần thiết yếu trong việc điều khiển các ngón kẹp, hoạt động dựa trên nguyên lý nén và giải phóng khí để tạo ra chuyển động mở và đóng hiệu quả.
Van điều khiển là hệ thống thiết bị quan trọng, giúp điều chỉnh luồng khí nén vào và ra từ xi lanh, từ đó kiểm soát hiệu quả quá trình kẹp và nhả vật thể.
Hệ thống cảm biến: Cảm biến thường được tích hợp để theo dõi trạng thái kẹp của gripper, đảm bảo độ chính xác cao trong quá trình thao tác
Gripper khí nén là thiết bị quan trọng trong các ứng dụng công nghiệp cần tốc độ cao và lực kẹp lớn Chúng được sử dụng phổ biến trong lắp ráp tự động, giúp kẹp và di chuyển linh kiện trên dây chuyền lắp ráp, từ đó nâng cao hiệu quả và tốc độ sản xuất Trong ngành công nghiệp ô tô, gripper khí nén hỗ trợ quá trình nâng và lắp ráp các chi tiết kim loại, đảm bảo độ chính xác và hiệu suất cao Hơn nữa, trong dây chuyền sản xuất bao bì, gripper khí nén có khả năng di chuyển và đóng gói sản phẩm với kích thước và trọng lượng khác nhau, góp phần tối ưu hóa quy trình đóng gói và nâng cao hiệu quả sản xuất.
Gripper từ là cơ cấu cơ khí sử dụng lực từ trường để cầm nắm và di chuyển các vật thể kim loại trong hệ thống tự động hóa, đặc biệt trong ngành công nghiệp như robot và dây chuyền sản xuất Cơ chế hoạt động của gripper từ dựa trên việc tạo ra từ trường khi dòng điện chạy qua cuộn dây của nam châm điện, tạo ra lực hút giữ chặt các vật thể kim loại từ tính Khi ngắt dòng điện, từ trường sẽ biến mất, và vật thể được thả ra.
Gripper từ có khả năng hút mạnh, lý tưởng cho việc xử lý các vật thể kim loại nặng và cồng kềnh Loại gripper này cho phép thao tác nhanh chóng, chính xác và dễ dàng tích hợp vào hệ thống tự động hóa Tuy nhiên, nó chỉ hoạt động hiệu quả với các vật thể kim loại từ tính và yêu cầu nguồn điện ổn định để duy trì chức năng.
• Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Gripper từ thường bao gồm các thành phần chính như sau:
Nam châm điện (Electromagnet): Bộ phận chính tạo ra từ trường, giúp hút và giữ vật thể khi có dòng điện chạy qua
Cuộn dây từ (Coil): Là phần tạo ra từ trường khi có dòng điện đi qua, bao quanh lõi sắt từ
Nguồn cấp điện: Điều khiển dòng điện qua cuộn dây để tạo và ngắt từ trường
Cảm biến từ (Magnetic Sensor): Giúp kiểm soát quá trình cầm nắm, đảm bảo vật thể được giữ chắc chắn trong suốt quá trình thao tác
Gripper từ được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp nhờ khả năng xử lý hiệu quả các vật liệu kim loại từ tính Chúng đóng vai trò quan trọng trong các nhà máy sản xuất cơ khí, nơi yêu cầu lực hút mạnh và chính xác Trong bốc dỡ và vận chuyển hàng hóa, gripper từ hỗ trợ nâng và sắp xếp sản phẩm kim loại trong các dây chuyền tự động hóa, nâng cao hiệu quả và giảm thiểu sự can thiệp của con người Ngoài ra, trong ngành công nghiệp tái chế, gripper từ giúp thu gom và phân loại vật liệu kim loại từ tính, tối ưu hóa quy trình tái chế và quản lý chất thải.
Tổng quan về hệ thống Servo
Servo là hệ thống điều khiển sử dụng phản hồi để kiểm soát chính xác và lặp lại các thông số động như vị trí, vận tốc và mô-men xoắn.
Hình 1 11: Hệ thống servo cho điều khiển vị trí
Hệ thống servo là thiết bị truyền động cho phép điều khiển chính xác vị trí, vận tốc và mô-men xoắn thông qua tín hiệu phản hồi.
Động cơ servo là thành phần thiết yếu trong hệ thống điều khiển chuyển động, yêu cầu kết nối với phần cứng và phần mềm hỗ trợ Chúng kết hợp với các thiết bị cơ khí để cung cấp lực di chuyển theo yêu cầu ứng dụng Động cơ servo được sử dụng để tạo ra lực cơ học cụ thể trong thời gian nhất định, đòi hỏi việc điều khiển vị trí, vận tốc và mô men theo yêu cầu cụ thể Để hoạt động chính xác, động cơ servo cần phải kết hợp với các thành phần phù hợp.
Bộ điều khiển, thường là PLC hoặc bộ điều khiển chuyển động chuyên dụng, thực hiện chương trình điều khiển để đáp ứng chính xác yêu cầu kỹ thuật của ứng dụng.
• Bộ điều khiển động cơ – Thiết bị điện tử có chức năng cung cấp đủ năng lượng cho động cơ theo đúng cách, đúng thời điểm
• Bộ mã hóa xung vòng quay – tạo phản hồi cho hoạt động của động cơ
1.4.1 Cấu tạo động cơ AC servo Động cơ AC servo (AC Servo Motor) là một loại động cơ điện xoay chiều được thiết kế để cung cấp khả năng điều khiển chính xác về vị trí, tốc độ và mô-men xoắn Động cơ AC servo hoạt động dựa trên dòng điện xoay chiều và thường được ứng dụng trong các hệ thống tự động hóa và điều khiển yêu cầu độ chính xác cao Hệ thống động cơ AC servo bao gồm ba thành phần chính: động cơ AC, bộ điều khiển servo, và bộ mã hóa Động cơ AC servo nhận tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển để điều chỉnh tốc độ và mô-men xoắn, trong khi bộ mã hóa cung cấp thông tin phản hồi về vị trí và tốc độ của động cơ
Hình 1 13: Cấu tạo động cơ AC servo
1.4.2 Các phương pháp điều khiển vị trí servo
Bộ điều khiển vị trí sử dụng các chương trình và các thông số để gửi yêu cầu để bộ khuếch đại servo (Servo amplifier)
Mã hóa xung kết hợp với động cơ servo cho phép tính toán khoảng cách di chuyển và truyền thông tin đến bộ khuếch đại servo Điều này giúp điều khiển liên tục để đạt được vị trí yêu cầu, đảm bảo việc di chuyển đối tượng được thực hiện một cách hiệu quả và chính xác.
Quy tắc điều khiển vị trí tập trung vào việc điều chỉnh vận tốc một cách hợp lý để rút ngắn khoảng cách tới vị trí mục tiêu Điều quan trọng nhất là khả năng thay đổi linh hoạt và dễ dàng vị trí yêu cầu.
Hình 1 14: Mô hình phần cứng cơ bản điều khiển servo
Phương pháp cấp xung điều khiển: có 3 dạng cấp xung điều khiển phổ biến được sử dụng: Cấp xung/ hướng, cấp xung thuận/ngược và chế độ 2 pha A, B
Bộ điều khiển sử dụng một lượng tín hiệu cấp nhất định, tỷ lệ với số xung để gửi chuỗi xung đến bộ khuếch đại servo Tốc độ cấp tín hiệu sẽ ảnh hưởng đến số xung phát ra theo thời gian.
Lượng tín hiệu cấp cho biết servo cần bao xa để đến được vị trí mong muốn
Encoder của động cơ servo phát 8192 xung trong một vòng quay, nghĩa là số xung tín hiệu này là cần thiết để động cơ servo hoàn thành một vòng quay Tốc độ cấp tín hiệu (Feed speed) cũng là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của động cơ.
Tốc độ cấp tín hiệu xác định số lượng tín hiệu được cung cấp trong một đơn vị thời gian, ảnh hưởng trực tiếp đến số xung phát ra Khi giảm số xung phát ra, tốc độ quay của động cơ sẽ giảm và ngược lại Thời gian tăng tốc và giảm tốc cũng là yếu tố quan trọng cần xem xét trong quá trình điều khiển động cơ.
Quá trình tăng tốc khởi đầu với tín hiệu khởi động và đạt đến tốc độ ổn định, trong khi quá trình giảm tốc diễn ra khi gần đạt được vị trí mục tiêu.
Hình 1 15: Quá trình tăng tốc giảm tốc
Bộ khuếch đại servo điều khiển số giúp điều chỉnh chuyển động và tốc độ theo lệnh từ bộ điều khiển vị trí Khi nhận tín hiệu từ bộ khuếch đại, động cơ servo sẽ truyền chuyển động quay đến cơ cấu truyền động Việc điều khiển tốc độ dựa trên xung lệnh từ bộ điều khiển vị trí, thông qua phương pháp PWM (điều chỉnh độ rộng xung) được thực hiện bởi mạch chính của bộ khuếch đại servo Ngoài ra, thông tin về tốc độ quay và số vòng quay sẽ được gửi trở lại bộ khuếch đại từ bộ mã hóa gắn trên động cơ servo.
Các thông số đầu vào thiết kế hệ thống xếp chồng thép lên pallet
Mỗi loại tấm thép có 1 kích thước xác định bởi chiều dài, rộng, và bề dày
Thông số tương ứng cho mỗi loại thép tấm.
Đầu bài cụ thể
Thiết kế hệ thống vận chuyển thép tấm lên pallet với các thông số sau:
Thông số Giá trị Đơn vị
Khối lượng (m) Theo kích thước tấm Vận tốc băng tải tối đa của dây chuyền cắt thép 2 𝑚/𝑠 Độ khít của các chồng thép khi sắp xếp (r) 𝑟 = ±1𝑚𝑚 𝑚𝑚
Kích thước (chiều cao) mỗi chồng thép (H) 150 𝑚𝑚
Kích thước pallet gỗ phụ thuộc vào loại thép cần xếp.
LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
Lựa chọn nguyên lý cơ khí
2.2.1 Lựa chọn cơ cấu Pick and Place
Việc lựa chọn robot gantry với hai phương tịnh tiến X và Z cho hệ thống tự động hóa được dựa trên lý do kỹ thuật và thiết kế cụ thể Cơ cấu gantry robot với hai khâu tịnh tiến giúp đơn giản hóa kết cấu và mô hình động học Trong ứng dụng này, nhiệm vụ chính là di chuyển các tấm thép sau khi cắt từ vị trí cắt đến pallet theo hai phương X và Z, do đó, một cơ cấu đơn giản với hai trục tịnh tiến đủ khả năng đáp ứng yêu cầu này một cách hiệu quả.
Hệ thống gantry robot 2 phương tịnh tiến mang lại tính ổn định và chính xác khi di chuyển các tấm thép, với cấu trúc giúp giảm rung lắc và lệch lạc, điều này rất quan trọng khi xử lý vật liệu nặng Thiết kế này không chỉ dễ dàng điều chỉnh và bảo trì mà còn cho phép tích hợp linh hoạt vào dây chuyền sản xuất hiện có Hơn nữa, cấu trúc gantry tối ưu hóa không gian làm việc, sử dụng hiệu quả không gian theo chiều dọc, tiết kiệm diện tích mặt sàn và giảm cản trở cho các thiết bị khác trong nhà xưởng.
Hình 2 3: Cơ cấu gantry robot
Lựa chọn tay gắp từ sử dụng nam châm điện cho hệ thống vận chuyển thép tấm phụ thuộc vào yêu cầu ứng dụng và các yếu tố kỹ thuật Thép tấm có tính dẫn từ tốt, làm cho tay gắp nam châm điện trở thành lựa chọn lý tưởng để cầm nắm và di chuyển các vật thể kim loại Sự kết hợp này không chỉ đảm bảo giữ chắc chắn các tấm thép trong quá trình vận chuyển mà còn giảm thiểu rủi ro xước bề mặt thép, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm Ngoài ra, tay gắp nam châm điện giúp hạn chế khoảng cách khi xếp chồng thép lên pallet nhờ khả năng điều chỉnh lực hút từ trường chính xác, cho phép thực hiện các thao tác "pick and place" hiệu quả.
Can thiệp của con người và tối ưu hóa quy trình xếp chồng thép là yếu tố quan trọng giúp nâng cao hiệu suất và độ chính xác trong việc xếp đặt sản phẩm.
Hình 2 4: Gripper từ (nam châm điện)
Lựa chọn phương án điện
Bộ điều khiển PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị thiết yếu trong công nghiệp và điều khiển tuần tự, cho phép lập trình thực hiện các thuật toán điều khiển logic PLC nhận tín hiệu từ các sự kiện bên ngoài qua ngõ vào và thực hiện các hoạt động qua ngõ ra Thiết bị này hoạt động bằng cách quét trạng thái đầu vào và đầu ra, với sự thay đổi ở ngõ vào dẫn đến sự thay đổi tương ứng ở ngõ ra dựa trên logic chương trình Ngôn ngữ lập trình phổ biến cho PLC bao gồm Ladder và Step Ladder, mặc dù mỗi nhà sản xuất có thể có ngôn ngữ riêng Những hãng sản xuất PLC nổi tiếng hiện nay bao gồm Siemens, Mitsubishi, Rockwell, INVT và Delta.
Thông thường, hệ thống PLC có các bộ phận chính sau:
Bộ nhớ chương trình: RAM, ROM, ngoài ra có thể sử dụng vùng nhớ ngoài – EPROM
Bộ xử lý trung tâm CPU
Module input/output Thông thường module I/O được tích hợp trên PLC, khi có nhu cầu mở rộng I/O có thể lắp module I/O
Ngoài ra, PLC còn có các bộ phận khác:
Cổng kết nối PLC và máy tính: RS232, RS422, RS485 thực hiện đổ chương trình và giám sát chương trình
Cổng truyền thông của PLC thường bao gồm Modbus RTU, và tùy thuộc vào hãng sản xuất cũng như dòng sản phẩm, PLC còn có thể hỗ trợ các chuẩn truyền thông khác như Profibus, Profinet, CANopen và EtherCAT.
Bộ điều khiển trung tâm CPU đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển toàn bộ hoạt động của bộ PLC, với tốc độ xử lý của CPU ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ điều khiển Chương trình được lưu trữ trên RAM và pin dự phòng tích hợp giúp bảo vệ dữ liệu khi có sự cố điện CPU thực hiện quét chương trình và thực hiện lệnh theo thứ tự Bộ điều khiển PLC có ưu điểm chống nhiễu tốt, đáng tin cậy trong môi trường công nghiệp, đáp ứng các thuật toán phức tạp với độ chính xác cao Thiết bị gọn nhẹ, dễ lắp đặt và có khả năng thay thế hoàn toàn mạch điều khiển relay thông thường, linh hoạt đáp ứng mọi yêu cầu điều khiển Ngoài ra, PLC hỗ trợ các chuẩn mạng truyền thông công nghiệp, tạo điều kiện kết nối và trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị, phù hợp với tiêu chuẩn công nghiệp 4.0.
Nhược điểm của PLC là giá thành cao, với chi phí sản phẩm vượt trội so với mạch relay thông thường Tuy nhiên, sự xuất hiện của nhiều hãng PLC từ Đức, Nhật Bản, Mỹ và Trung Quốc trên thị trường Việt Nam đã tạo ra sự cạnh tranh, giúp giảm giá thành Bên cạnh đó, chi phí phần mềm lập trình cũng cần được xem xét, với việc mua license phụ thuộc vào từng hãng sản xuất; hiện có hai dạng: một số hãng cho phép sử dụng miễn phí, trong khi một số khác yêu cầu mua license Ngoài ra, người sử dụng cần có kiến thức về lập trình để sử dụng hiệu quả.
PLC: Để thiết bị PLC đáp ứng tốt trong điều khiển, người sử dụng cần có kiến thức căn bản về lập trình PLC
2.3.2 Phương pháp cấp xung điều khiển
Lựa chọn phương pháp cấp xung/hướng mang lại độ chính xác cao trong việc điều khiển vị trí động cơ, đồng thời dễ dàng triển khai và cấu hình Phương pháp này cho phép điều chỉnh linh hoạt tốc độ và hướng di chuyển của động cơ thông qua việc thay đổi tần số xung và tín hiệu hướng Hơn nữa, nó tích hợp tốt với các bộ điều khiển PLC và servo, đảm bảo hiệu suất hoạt động mượt mà và hiệu quả cho hệ thống điều khiển.
Tổng hợp
2.4.1 Sơ đồ nguyên lý Pick and Place
Hình 2 6: Sơ đồ nguyên lý cơ cấu Pick and Place
2.4.2 Sơ đồ nguyên lý toàn hệ thống:
2.4.3 Sơ đồ nguyên lý điện điều khiển hệ thống
Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lý điện điều khiển hệ thống
THIẾT KẾ CƠ KHÍ
Tính toán và thiết kế cơ cấu Pick and Place (2DOF)
3.1.1 Tính toán khâu 1 (Vit-me)
Khối lượng riêng của thép: 𝐷 𝑡ℎé𝑝 = 7850 𝑘𝑔/𝑚 3
Khối lượng tối đa của một tấm thép:
𝑚 1 = 0,8 × 0,125 × 0,003 × 7850 = 2,355 (𝑘𝑔) (3.1) Lựa chọn một lần vận chuyển 25 thép tấm từ băng tải qua pallet, ta được: Khối lượng tối đa của một chồng thép khi vận chuyển:
𝑚 𝑚𝑎𝑥 = 2,355 × 25 = 58,875 (𝑘𝑔) (3.2) Ước lượng khối lượng của khâu 2 là 25𝑘𝑔
Bảng 3 1: Thông số ban đầu (Điều kiện sử dụng):
Khối lượng của bàn + khâu 2 + Thép + Gripper 𝑊 = 85 (𝑘𝑔)
Thời gian tăng tốc và giảm tốc 𝑡 = 0,15 (𝑠) Độ chính xác vị trí ±0.5/940(𝑚𝑚) Độ chính xác lặp lại ±0.01 (𝑚𝑚)
Hệ số ma sát chuyển động tuyến tính 𝜇 = 0,02
Tốc độ của động cơ 𝑁 𝑚𝑎𝑥 = 3000 (𝑣ò𝑛𝑔/𝑝ℎú𝑡)
Dựa vào tốc độ quay của động cơ và tốc độ tối đa ta có:
3000 = 20 (𝑚𝑚) (3.3) Vậy yêu cầu bước ren 𝐿 ≥ 20 (𝑚𝑚)
(1) Tính toán lực dọc trục:
Theo công thức ở Mục 6-2, trang 2227 tài liệu [1] ta có:
- Trong quá trình tăng tốc:
- Trong quá trình giảm tốc:
(2) Thời gian di chuyển thực tế trong từng phần của 1 chu kì:
Trạng thái Tăng tốc Không đổi Giảm tốc Tổng
(3) Bảng tổng hợp lực dọc trục, tốc độ quay và tỉ lệ thời gian vận hành:
Trạng thái Tăng tốc Không đổi Giảm tốc
Lực dọc trục 583,627 (𝑁) 16,677 (𝑁) 550,273 (𝑁) Tốc độ quay 1500 𝑣ò𝑛𝑔/𝑝ℎú𝑡 3000 𝑣ò𝑛𝑔/𝑝ℎú𝑡 1500 𝑣ò𝑛𝑔/𝑝ℎú𝑡
(4) Tính toán tải trọng dọc trục trung bình theo mục 6-3 trang 2227 tài liệu [1]:
(5) Tính toán số vòng quay trung bình
(6) Tính toán tải trọng động cơ bản cần thiết:
- Tính toán tuổi thọ hoạt động liên tục:
- Tính toán tải trọng động cơ bản cần thiết:
Dựa vào công thức mục 6-1 trang 2227 tài liệu [1] ta có: (𝑓 𝑤 là hệ số an toàn)
(7) Lựa chọn cơ cấu chấp hành tạm thời:
Sau khi tham khảo các sản phẩm từ Misumi em chọn Single Axis Actuator
KS86/KSC86 – Standard với bước ren 20, đường kính 15, chiều dài hành trình 940𝑚𝑚
Hình 3 1: Single Axis Actuator KS86/KSC86 Bảng 3 2: Bảng thông số kỹ thuật cơ cấu chấp hành (khâu 1) Độ chính xác Tiêu chuẩn, cấp chính xác 𝐶7
Sai số lặp lại 10𝜇𝑚 Đường kính của vít - me 15𝑚𝑚
Tải trọng tĩnh tối đa 50764𝑁
Tải trọng động tối đa 31458𝑁
• Đánh giá độ chính xác
Cơ cấu chấp hành tiêu chuẩn sử dụng vít-me cấp chính xác C7 với sai số tích lũy bước ren 52𝜇𝑚 Chiều dài hiệu dụng của phần ren trên trục vít là 300𝑚𝑚, đảm bảo độ chính xác cao cho các ứng dụng kỹ thuật.
940𝑚𝑚 Tính lại sai số tích lũy bước ren ta được 52 × 940
300 = 163 (𝜇𝑚) 0,163(𝑚𝑚) đáp ứng độ chính xác định vị ±0,5𝑚𝑚/940𝑚𝑚
Độ chính xác lặp lại của cơ cấu chấp hành được xác định là ±10𝜇𝑚, hoàn toàn đáp ứng yêu cầu đề bài.
Từ các lặp luận trên ta thấy Single Axis Actuator KS86/KSC86 – Standard có thể đáp ứng độ chính xác yêu cầu
Tính toán lựa chọn động cơ Servo
Bảng 3 3: Thông số đầu vào Servo
Khối lượng của chồng thép 𝑊 𝐿 60 𝑘𝑔
Lực chống kéo của tải 𝐹 𝑐 0,01 𝑁
Lực xiết của mặt bàn 𝐹 𝐺 0,01 𝑁
Mô-men quán tính của khớp nối 𝐽 𝐶 2 𝑘𝑔 𝑐𝑚 2
Các mô-men quán tính khác 𝐽 0 0,1 𝑘𝑔 𝑐𝑚 2
Bước vít 𝑃 𝐵 20 𝑚𝑚 Đường kính vít 𝐷 𝐵 15 𝑚𝑚
Hiệu suất hệ thống truyền động 𝜂 0,9
Chiều dài điều khiển vị trí 𝐿 840 𝑚𝑚
Thời gian để định vị 𝑡 0 1,15 𝑠
Thời gian 1 chu kỳ hoạt động 𝑡 𝑓 2,5 𝑠
Số dịch chuyển trên 1 vòng quay:
Số vòng quay tối đa của motor:
Ta có thời gian cài đặt dừng là :
70= 0,043(𝑠) (3.14) Tính thời gian tăng tốc, giảm tốc:
= 0,187(𝑠) (3.15) Tính moment quán tính của tải:
(2) Đối tượng di chuyển thẳng
(3) Mô-men quán tính tại trục động cơ (Không có bộ giảm tốc: 𝐽 𝑀𝐺 = 0, đối với động cơ không có phanh: 𝐽 𝑀𝐵 = 0)
= 11,2763(𝑘𝑔 𝑐𝑚 2 ) (3.18) Tính moment phải cung cấp từ động cơ:
Chọn sơ bộ động cơ
Chọn MR-J3-A/B của Mitsubishi và động cơ có số vòng quay 3000 𝑣ò𝑛𝑔/ 𝑝ℎú𝑡
30= 0,376 Tính lại moment cần cung cấp trong giai đoạn tăng tốc và giảm tốc:
𝜂+ 𝑇 𝐿 = 0,077(𝑁𝑚) (3.21) Tính lại moment cần cung cấp liên tục cho tải hiệu dụng:
= 0,214 (𝑁𝑚) (3.22) Vậy ta lựa chọn động cơ Servo HF-KP43 và amplifier MR-J3-40A
Hình 3 2: Amplifier servo MR-J3-40A Bảng 3 4: Bảng thông số kỹ thuật driver MR-J3-40A
Phương pháp điều khiển Độ rộng xung/ điều chỉnh dòng điện
Các chế độ điều khiển Vị trí/ Tốc độ/ Moment Độ phân giải Encoder 18 𝑏𝑖𝑡
Kết nối với máy tính Cáp MR-J3USBCBL3M
Tiêu chuẩn IP67 kháng nước kháng bụi
Hình 3 3: Động cơ Servo HF-KP43
Bảng 3 5: Bảng thông số kỹ thuật động cơ servo HF-KP43
3.1.2 Tính toán khâu 2 (Xy lanh)
Vì cần phải gắp thả vật nên chọn xy lanh tác động kép
Ta có tổng khối lượng xy lanh cần phải hút là:
𝑚 𝑛â𝑛𝑔 = 𝑚 𝑚𝑎𝑥 + 𝑚 𝑔𝑟𝑖𝑝𝑝𝑒𝑟 = 60 + 15 = 75 (𝑘𝑔) (3.23) Suy ra tổng lực hút mà xy lanh cần đáp ứng là :
Vì áp suất khí trong công nghiệp thông thường là là 7 𝑏𝑎𝑟 = 0,7 𝑀𝑃𝑎 Nên ta dùng thông số này để tính toán lựa chọn xy lanh
Hiệu diện tích mặt tròn Pittong của xy lanh là:
7 × 10 5 = 1,051071 × 10 −3 (𝑚 2 ) = 1051071 (𝑚𝑚 2 ) (3.25) Hiệu đường kính của Pittong và cần xy lanh là :
Theo tiêu chuẩn và yêu cầu đã đề ra, lựa chọn sơ bộ cho xy lanh là có đường kính pittong 𝐷 𝑐1 = 40 (𝑚𝑚) và đường kính ty 𝑑 𝑐1 = 16 (𝑚𝑚) Tính toán cho thấy 40² − 16² = 1344 (𝑚𝑚) > 1156,834 (𝑚𝑚), cho thấy lựa chọn này đáp ứng đầy đủ các tiêu chí cần thiết.
Lựa chọn xy lanh khí nén của SMC với model CDG1LN40-150Z1-M9BL
Hình 3 4: Xylanh khâu 2 trong cụm Pick and Place Bảng 3 6: Bảng thông số kỹ thuật xy lanh 1
Loại xy lanh 2 chiều Pittong Tác động đơn
Loại thân Tiêu chuẩn Đường kính xylanh 40𝑚𝑚
Chiều dài hành trình của thiết bị là 150mm, phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau Thiết bị đáp ứng các tiêu chuẩn môi trường khắt khe và có thể hoạt động hiệu quả trong điều kiện khí nén và thủy lực Áp suất hoạt động nằm trong khoảng từ 0.05 đến 1.0 MPa Đặc biệt, thiết bị còn được tích hợp nam châm để nâng cao hiệu suất sử dụng.
Vì cần điều khiển xy lanh 3 vị trí nên sử dụng valve 5/3, 2 cuộn coin
Lựa chọn van điện từ 4V230E-06 2 coil của AIRTAC
Hình 3 5: Valve 5/3 2 cuộn coin (AIRTAC)
Bảng 3 7: Thông số kỹ thuật valve 5/3 2 cuộn coil AIRTAC
Kích thước cổng xả 1/8" Áp suất hoạt động 0,15 − 0,8 𝑀𝑃𝑎
Nhiệt độ hoạt động 20 − 70 độ 𝐶
Tính toán và lựa chọn xylanh khí nén đẩy chồng thép
Ta có tổng khối lượng xy lanh cần phải đẩy là:
Ta có hệ số ma sát giữa thép và cao su là: 𝜇 = 0.7
Suy ra lực ma sát giữa chồng thép và cao su là :
Vì sử dụng 2 xy lanh đẩy nên ta có lực của mỗi xy lanh là :
Vì áp suất khí trong công nghiệp thông thường là là 7 𝑏𝑎𝑟 = 0,7 𝑀𝑃𝑎 Nên ta dùng thông số này để tính toán lựa chọn xy lanh
Diện tích mặt tròn Pittong xy lanh 2 và 3 là:
7 × 10 5 = 2,94 × 10 −4 (𝑚 2 ) (3.30) Đường kính của Pittong cần:
𝜋 = 0,0193 (𝑚) = 19,3 (𝑚𝑚) (3.31) Theo tiêu chuẩn chọn xylanh có đường kính piston là 𝐷 𝑐2 = 𝐷 𝑐3 = 25 (𝑚𝑚)
Để đảm bảo cơ cấu Pick and Place hoạt động hiệu quả, cần phải đẩy chồng thép một khoảng nhất định Khoảng cách giữa hai chồng thép ban đầu và sau khi đẩy được lựa chọn là 𝑙 = 375 (𝑚𝑚).
Ta có chiều dài hành trình tối thiểu của piston là:
𝑙 𝑚𝑖𝑛 = 𝐷 𝑚𝑎𝑥 + 𝑙 = 125 + 375 = 500 (𝑚𝑚) (3.31) Lựa chọn 2 xy lanh khí nén của SMC với model DG1LN25-500Z1-M9BL
Bảng 3 8: Bảng thông số kỹ thuật xy lanh 2 và 3
Loại xy lanh 2 chiều Pittong Tác động đơn
Loại thân Tiêu chuẩn Đường kính xylanh 25𝑚𝑚
Chiều dài hành trình là 500mm, phù hợp cho nhiều ứng dụng khác nhau Tiêu chuẩn về điều kiện môi trường và áp suất hoạt động từ 0.05 đến 1.0 MPa, đảm bảo hiệu suất tối ưu cho cả hệ thống khí nén và thủy lực Sản phẩm còn được tích hợp nam châm, mang lại tính linh hoạt và tiện lợi trong quá trình sử dụng.
Tính toán lựa chọn xy lanh điều khiển cử chặn thép
Ta có vận tốc tối đa của băng tải thép là 2𝑚/𝑠
Giả sử các tấm thép cách nhau 200𝑚𝑚 và kích thước thép hiện tại đang lớn nhất 800 × 400 × 3𝑚𝑚
Vận tốc mong muốn cho xy lanh 2 và 3 khi đi ra là 500 mm/s, trong khi tốc độ hồi về được tạm tính tương đương với vận tốc đi ra của xy lanh để đảm bảo không có sự chênh lệch lớn.
Ta có tổng thời gian xy lanh 2 và 3 đẩy thép và hồi về 1 chu kì:
500 = 2(𝑠) (3.32) Trong 3𝑠 số lượng thép rớt xuống cử thép là: (Delay 1𝑠)
𝑛 = 3 × 2(0,8 + 0,2)= 6 (𝑡ấ𝑚) (3.33) Khối lượng của 4 tấm thép là:
Tổng ngoại lực tác dụng lên cần xy lanh:
Vì vật liệu của ty là thép có ứng suất cho phép là: 𝜎 𝑡ℎé𝑝 = 200(𝑀𝑃𝑎)
Ta có đường kính tối thiểu của ty là:
Khi lựa chọn xy lanh, cần đảm bảo chiều dài hành trình lớn hơn bề rộng tối đa của tấm thép là 125mm Hành trình xy lanh nên được chọn trong khoảng từ 25mm đến 150mm, với đường kính ty là 12mm.
Chọn xy lanh dẫn hướng 3 ty của AIRTAC (TCL25-150)
Hình 3 6: Xy lanh dẫn hướng 3 ty AIRTAC Hình 3 7: Hình ảnh 3D cử chặn thép
Vì chỉ cần đẩy thép (2 vị trí) nên lựa chọn sử dụng valve 5/2, 1 cuộn coin Lựa chọn van điện từ 4V210-08-24VDC 1 coil của AIRTAC
Hình 3 8: Valve 5/2 1 cuộn coin (AIRTAC)
Bảng 3 9: Thông số kỹ thuật valve 5/2 1 cuộn coil AIRTAC
Kích thước cổng xả 1/8" (𝑟𝑒𝑛 9,6) Áp suất hoạt động 0,15 − 0,8 𝑀𝑃𝑎
Tính toán và thiết kế cơ cấu tay gắp (Gripper)
Khối lượng tối đa của một chồng thép khi vận chuyển:
𝑚 𝑚𝑎𝑥 = 2.355 × 25 = 58.875 (𝑘𝑔)(3.37) Lực hút cần thiết của nam châm điện:
Lực từ có thể bị thất thoát khi xuyên qua bề dày của tấm thép, dẫn đến suy giảm hiệu suất và không đảm bảo hút hết 25 tấm thép Do đó, tôi quyết định sử dụng 4 nam châm điện: 2 nam châm để tăng diện tích tiếp xúc và hút chồng thép, cùng với 2 nam châm điện kẹp chặt 2 bên tấm thép, tạo thành một khối đồng nhất.
Lựa chọn sơ bộ hai nam châm điện kẹp với chiều cao chồng thép 75mm Nam châm điện được chọn là loại nguồn 24V, hình chữ nhật, có kích thước 75 × 40 × 30 mm và lực hút đạt 400N.
Ta có hệ số ma sát nghỉ của thép 𝜇 𝑚𝑠𝑛 = 0,3
Ta có lực ma sát nghỉ của chồng thép 25 tấm:
Ta có lực giữ của nam châm đã chọn là 400(𝑁) > 173,27(𝑁) nên phù hợp
Lựa chọn sơ bộ nam châm điện 24V hình chữ nhật kích thước 100 × 50 × 40 với lực hút tối đa 800𝑁 và công suất 20𝑊 Cường độ dòng điện cần thiết được tính là 5 (𝐴).
PLC S7-1200 có cường độ dòng điện ngõ ra tối đa 0,5𝐴, nhưng với hơn 10 ngõ ra cần điều khiển, việc sử dụng module mở rộng output relay với cường độ dòng điện tối đa 2𝐴 là cần thiết Điều này đảm bảo nam châm hoạt động hiệu quả và đủ sức hút được 25 tấm thép.
Chúng tôi đã lựa chọn 2 nam châm điện model H1005040 với nguồn 24V DC, kích thước 100 × 40 × 45 mm và lực hút tối đa 800N, để hút 25 tấm thép trên pallet Đồng thời, chúng tôi cũng sử dụng 2 nam châm điện model H754030, cùng nguồn 24V DC, kích thước 75 × 40 × 30 mm và lực hút tối đa 400N mỗi nam châm Để tối ưu hóa tiếp xúc giữa nam châm và bề mặt thép, thiết kế bao gồm một đầu cố định và một đầu di động với xy lanh dẫn hướng nhỏ Hệ thống nam châm sẽ được điều chỉnh bằng tay để phù hợp với kích thước thép thay đổi.
Kích thước chiều dài thép thay đổi 400 − 800𝑚𝑚, nên yêu cầu cơ cấu gripper phải có khả năng điều chỉnh để phù hợp với kích thước thép.
Mô hình 3D cơ cấu Pick and Place
Hình 3 9: Hình ảnh 3D tay gắp
Hình 3 10: Cơ cấu gắp thả vật (Pick and Place)
Mô hình 3D khối đẩy thép
THIẾT KẾ ĐIỆN
Lựa chọn bộ điều khiển
Trong đồ án này, tôi đã chọn sử dụng bộ điều khiển PLC S7-1200 (CPU 1214 DC-DC-DC) của Siemens Để điều khiển nam châm điện, tôi cũng sử dụng module mở rộng Output SM1222 với 8 Output relay 2A.
Bảng 4 1: Thông số kỹ thuật của PLC S7-1200 (CPU 1214 DC-DC-DC)
Tích hợp đầu vào số 14 𝐷𝐼 24𝑉 𝐷𝐶
Tích hợp đầu ra số 10 𝐷𝑂 24𝑉 𝐷𝐶
Tích hợp đầu vào tương tự 2 𝐴𝐼 0 − 10 𝑉 𝐷𝐶
Bộ nhớ chương trình/ dữ liệu 100 𝐾𝐵
Tần số phát xung tối đa 100𝐾ℎ𝑧
Hình 4 1: PLC Siemens S7-1200, 1214C, DC-DC-DC
Bảng 4 2: Thông số kỹ thuật module output SM1222
Tích hợp đầu ra số 8𝐷𝑂, 𝑅𝑒𝑙𝑎𝑦 2𝐴
Hình 4 2: Module ouput 8DO, Relay 2A
Lựa chọn cảm biến
Cảm biến tiệm cận (còn được gọi là “Công tắc tiệm cận” hoặc đơn giản là
Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensors) phản ứng khi có vật thể ở gần, thường chỉ trong khoảng cách vài mm Chúng thường được sử dụng để phát hiện vị trí cuối của chi tiết máy, từ đó kích hoạt các chức năng khác của thiết bị Đặc biệt, cảm biến này hoạt động hiệu quả trong những môi trường khắc nghiệt.
Cảm biến tiệm cận chuyển đổi sự chuyển động hoặc sự xuất hiện của vật thể thành tín hiệu điện thông qua ba hệ thống phát hiện chính Đầu tiên, hệ thống sử dụng dòng điện xoáy được sinh ra trong vật thể kim loại nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ Thứ hai, hệ thống dựa vào sự thay đổi điện dung khi tiếp cận vật thể cần phát hiện Cuối cùng, hệ thống sử dụng nam châm và công nghệ chuyển mạch cộng từ để thực hiện chức năng này.
Có hai loại cảm biến tiệm cận chính có thể kể đến Đó là loại cảm ứng từ và loại điện dung
• Cảm biến tiệm cận loại cảm ứng từ
Cảm ứng từ loại có bảo vệ (Shielded) giúp tập trung từ trường trước mặt sensor, giảm thiểu nhiễu từ kim loại xung quanh, nhưng đồng thời cũng làm giảm khoảng cách đo.
Cảm ứng từ không có bảo vệ (Un-Shielded) không được bao bọc bởi lớp bảo vệ từ trường, cho phép khoảng cách đo dài hơn Tuy nhiên, loại cảm ứng này dễ bị nhiễu từ các kim loại xung quanh.
• Cảm biến tiệm cận loại cảm ứng điện dung
Cảm ứng tĩnh điện hoạt động dựa trên sự thay đổi điện dung giữa vật cảm biến và đầu sensor, cho phép phát hiện mọi loại vật thể.
4.1.1 Cảm biến từ hành trình xy lanh
Cảm biến xy lanh là thiết bị quan trọng để phát hiện vị trí tuyến tính của piston trong quá trình hoạt động của xi lanh khí nén Được lắp đặt ở vị trí chuyển mạch mong muốn trong rãnh xy lanh, cảm biến này phát ra tín hiệu chuyển mạch 24 V tiêu chuẩn khi phát hiện từ trường của pít tông.
Sử dụng cảm biến từ được tích hợp trong xy lanh SMC, D – M9B 2 dây NO
Hình 4 3: Cảm biến từ tiệm cận hành trình xy lanh SMC
Bảng 4 3: Thông số kỹ thuật cảm biến từ D-M9B 2 dây NO
4.1.2 Cảm biến đếm thép và phát hiện thép
Sử dụng hai cảm biến tiệm cận AUTONICS PR12, một cảm biến để đếm số lượng thép và một cảm biến khác để phát hiện thép đã đến vị trí vận chuyển qua pallet.
Hình 4 4: Cảm biến tiệm cận Bảng 4 4: Thông số kỹ thuật cảm biến tiệm cận
Số dây 3 (1 dây tín hiệu và 2 dây nguồn)
LED Có thể hiển thị trạng thái hoạt động
Tính toán công suất và lựa chọn nguồn
Em sử dụng nguồn 220V AC 1 pha để cấp điện cho bộ khuếch đại Servo, nhằm điều khiển động cơ Servo Đồng thời, nguồn điều khiển được cung cấp bằng nguồn DC 24V.
Bảng 4 5: Bảng thống kê tiêu thụ điện
STT Tên thiết bị Dòng tiêu thụ (𝑚𝐴)
4 Cảm biến từ hành trình xy lanh 10 7 70
5 Van điện từ khí nén 170 6 1020
Ta có tổng dòng điện mà nguồn 24VDC cần là 5740𝑚𝐴
Tôi đã chọn bộ nguồn SITOP PSU100P/1AC/24VDC/8A/IP67 của Siemens dựa trên dòng điện tiêu thụ tính toán Bộ nguồn này có điện áp đầu vào 220V AC và điện áp đầu ra 24V DC với dòng điện 8A.
Sơ đồ nguyên lý và các cơ cấu chấp hành
Sử dụng PLC lấy tín hiệu Digital từ các nút nhấn và cảm biến:
• 7 cảm biến từ hành trình xy lanh
• 2 cảm biến hành trình vít-me Để điều khiển tín hiệu Digital các cơ cấu chấp hành sau:
• 6 Cuộn coil điện điều khiển xy lanh
START STOP TC1 SB1 SB2 SC1 SC2 TC2 SA1 SA2 SA3 SW HW
Digital Digital Digital Digital Digital Digital Digital Digital Digital Digital Digital Digital Digital
Digital Digital Digital Digital Digital Digital
Hình 4 6: Sơ đồ nguyên lý tín hiệu vào/ra của cảm biến và cơ cấu chấp hành
THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN (PLC)
Mục tiêu điều khiển
Lấy tín hiệu từ các cảm biến tiệm cận và cảm biến từ hành trình xy lanh để điều khiển tuần tự các cơ cấu chấp hành
Sử dụng PLC để lấy tín hiệu từ encoder của động cơ servo giúp điều khiển xung và hướng, đảm bảo định vị chính xác vị trí cho việc vận chuyển chồng thép sáng pallet tại 4 vị trí khác nhau.
Sơ đồ phần cứng điều khiển
Sensor từ (cảm biến hành trình xy lanh) Nút nhấn
Module Digital Output SM1222, 8 DO - Relay
Bảng 5 1: Sơ đồ phần cứng điều khiển
Thiết bị ngoại vi Input/Output (I/O)
Nút nhấn (Start) 𝐼0.0 Động cơ servo (PWM) 𝑄0.0 Nút nhấn (Stop) 𝐼0.1 Động cơ servo (DIR) 𝑄0.1
Cảm biến tiệm cận 1 (đếm thép) 𝐼0.2 Xy lanh 2 (Valve 5/2) -
1 cuộn coil 𝑄0.2 Cảm biến hành trình xy lanh 2 min
1 cuộn coil 𝑄0.3 Cảm biến hành trình xy lanh 2 max
– Cuộn coil 1 𝑄0.4 Cảm biến hành trình xy lanh 3 min
– Cuộn coil 2 𝑄0.5 Cảm biến hành trình xy lanh 3 max
(SC2) 𝐼0.6 Xy lanh gạt (Valve 5/2)
– 1 cuộn coil 𝑄0.6 Cảm biến tiệm cận 2 (nhận biết thép đã được đẩy tới vị trí pick) 𝐼0.7 Xy lanh gripper (Valve
5/2) – 1 cuộn coil 𝑄0.7 Cảm biến hành trình xy lanh 1 min
Cảm biến hành trình xy lanh 1 mid
(SA2: ở giữa) 𝐼1.1 Nam châm điện 2 𝑄8.1
Cảm biến hành trình xy lanh 1 max
Cảm biến hành trình linear actuator
Cảm biến hành trình linear actuator
Tính toán thông số điều khiển và set cấu hình cho bộ khuếch đại
Tần số phát xung của PLC S7-1200 đạt 100000 𝑥𝑢𝑛𝑔/𝑠 (100𝑘𝐻𝑧)
Ta chọn cổng Q0.0 phát xung và Q0.1 điều hướng
Ta có thông số động cơ Servo HF-KP43: Độ phân giải của Encoder là 18𝑏𝑖𝑡 tương đương với 262144 𝑥𝑢𝑛𝑔/𝑣ò𝑛𝑔, tức là mã hóa 1 vòng quay thành 262144 𝑥𝑢𝑛𝑔
Ta có tấn số phát xung lớn nhất của PLC là 100𝑘𝐻𝑧 tương ứng với
3000 𝑣ò𝑛𝑔/𝑝ℎú𝑡 nên số xung để động cơ quay được 1 vòng:
Sử dụng phần mềm MELSOFT MR Configurator 2 để set up parameter cho Amplifier Servo:
• PA01: Cài đặt chế độ điều khiển: Điều khiển vị trí nên chọn 0
• PA05: Số xung để động cơ quay được 1 vòng: 𝟐𝟎𝟎𝟎
• PA13: Lựa chọn đầu vào xung: 0001 (Positive pulse 1 chân phát xung và 1 chân điều hướng)
• PA14: Lựa chọn kiểu chiều quay: 0
• PA15: Độ phân giải của Encoder: 18bit = 262144
Tính toán độ phân giải của hệ thống servo:
2000= 0,01(𝑚𝑚) Đánh giá sai số của cả hệ thống servo:
Đầu tiên, xác định vị trí đầu tiên, sau đó các vị trí thứ 2, 3 và 4 sẽ được tính bằng hiệu giữa vị trí ban đầu và chiều rộng của tấm thép Để đảm bảo an toàn, các vị trí 2, 3 và 4 cần cộng thêm 0,5mm nhằm tránh va chạm.
Như vậy tổng sai số sẽ là: ±0,683𝑚𝑚 < ±1𝑚𝑚 phù hợp với yêu cầu đề bài
Hình 5 1: Cấu hình parameter cho Amplifier Servo MR-J3-40A
Cấu hình phần cứng (Axis) trong Tia Portal
Hình 5 2: Cấu hình thông số chung (General) cho trục Axis trong TIA
Hình 5 3: Cấu hình cài đặt phương pháp cấp xung và khai báo chân cấp xung, chân hướng
Hình 5 4: Khai báo thông số của trục vít-me
Sơ đồ Gradcet và code
TC1 == 25 (Cảm biến tiệm cận 1 đếm 25 tấm thép) Xylanh chặn cử và xylanh đẩy 2, 3 đi ra
SB2, SC2 == 1 (Chạm cảm biến hành trình max của xy lanh 2 và 3) Xylanh đẩy 2, 3 đi vào
TC2 == 1, SA1 == 1 (Cảm biến tiệm cận 2 và cảm biến hành trình min của xylanh 1 on)
SB1, SC1 == 1 (Chạm cảm biến hành trình min của xy lanh 2 và 3) Xylanh chặn cử đi vào
SA3 ==1 (Chạm cảm biến hành trình max của xylanh 1) Nam châm điện 1,2,3,4 hoạt động và xy lanh gripper đi ra Delay 2s
Xylanh 1 đi vào SA1 == 1 (Chạm cảm biến hành trình min của xylanh 1)
Vị trí thực tế == Vị trí N Xylanh 1 đi ra
Nhả điện 4 nam châm điện, xy lanh gripper đi vào Delay 2s
SA1 == 1 (Chạm cảm biến hành trình min của xylanh 1) Servo chạy về Home
Lượt 1: SA3 == 1 (Chạm cảm biến hành trình max của xylanh 1) Lượt 2: SA2 == 1 (Chạm cảm biến hành trình mid của xylanh 1) Servo chạy tới vị trí N (4 vị trí và chạy 2 lượt)
Hình 5 5: Sơ đồ Gradcet hệ thống
• Chương trình con điều khiển servo
• Chương trình con điều kiện chuyển bước
• Chương trình con điều khiển các cơ cấu chấp hành
Giao điện SCADA
Gồm 2 chế độ: Manual (vận hành thủ công) và Auto (vận hành theo trình tự)
Dùng để vận hành thủ công, thiết bị cho phép dễ dàng điều chỉnh tốc độ xylanh và động cơ, đồng thời thử nghiệm các cơ cấu trước khi chuyển sang chế độ tự động Ngoài ra, thiết bị còn hỗ trợ xác định 4 vị trí cần đặt thép lên pallet, sau đó nhập thông tin vào hệ thống để đảm bảo quá trình hoạt động diễn ra chính xác.
Hệ thống tự động này được thiết kế để đếm và vận chuyển thép, sau đó đẩy thép đến vị trí mục tiêu, từ đó cho phép cơ cấu Pick and Place thực hiện việc chuyển chồng thép sang pallet một cách hiệu quả.
Để kiểm tra hiệu suất của hệ thống mà không cần triển khai thực tế, chương trình mô phỏng được sử dụng để kích hoạt cảm biến xylanh và đánh giá hoạt động của mã code Hệ thống này còn được tích hợp thêm hai chế độ là Automation on và off, cho phép người dùng thử nghiệm và đánh giá hiệu suất của hệ thống một cách linh hoạt.
Hình 5 6: Giao diện SCADA hệ thống vận chuyển chồng thép lên pallet
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Mô hình 3D hoàn chỉnh
Hình 6 1: Mô hình 3D toàn hệ thống hoàn chỉnh
Yêu cầu trước khi vận hành:
Để đảm bảo hiệu quả trong quá trình sản xuất, cần điều chỉnh tốc độ của các xi lanh, băng tải và động cơ servo tương ứng với kích thước cụ thể của thép, do kích thước của thép có thể thay đổi.
Lưu lượng của các xi lanh có thể điều chỉnh theo yêu cầu vận hành, do đó cần tiến hành các bài kiểm tra trước khi hệ thống chính thức hoạt động Đồng thời, cần đảm bảo rằng nam châm điện hoạt động hiệu quả để hút thép.
• Kiểm tra lại toàn bộ hệ thống cảm biến để đảm bảo phát hiện chính xác vị trí và kích thước của thép
Để tránh sai sót trong quá trình xử lý và di chuyển vật liệu, cần đảm bảo rằng các thông số điều khiển của hệ thống Servo được cấu hình chính xác.
Kiểm tra và hiệu chỉnh trước khi vận hành là rất quan trọng để đảm bảo tất cả các thành phần của hệ thống hoạt động ổn định, đáp ứng yêu cầu về độ chính xác và hiệu suất.
Mô phỏng SCADA
6 2.1 Chương trình con mô phỏng
6.2.2 Các bước để mô phỏng
• Bước 1: Bật chương trình trong TIA PORTAL
Compile chương trình và click Start simulation để tải chương trình xuống PLC Sim
Hình 6 2: Giao diện load code xuống PLC SIM để mô phỏng
• Bước 2: Click load và đợi chương trình tải xuống PLC SIM,
Hình 6 3: Giao điện load thành công code xuống PLC SIM
Khi thấy dòng “Loading completed” có nghĩa chương trình đã được tải xuống PLC SIM thành công
• Bước 3: Sau đó chọn vào HMI và click vào Start simulation để tiến hành mở giao diện SCADA
Hình 6 4: Giao diện khi bật mô phỏng SCADA
• Bước 4: Tiến hành mô phỏng
_ Click vào chế độ Simulation và Auto
_ Nhập giá trị 4 vị trí cần dịch chuyển đến
_ Chạy giả lập số thép bằng cách ấn vào nút SS_SP
